圖片來源：Karl-Martin Skontorp

在我們的日常感覺中，通常具有超高性能的系統(tǒng)都是很敏感的，而強(qiáng)健的系統(tǒng)又不會(huì)很快。這一點(diǎn)也適用于計(jì)算機(jī)、相機(jī)和汽車：賽車相對(duì)脆弱，而強(qiáng)大的越野車卻比較慢。同樣，在工業(yè)通信領(lǐng)域，性能（通信效率）和可靠性（系統(tǒng)錯(cuò)誤帶來的影響）有著緊密聯(lián)系。然而，取決于不同的技術(shù)，其關(guān)系是令人驚訝的：高效導(dǎo)致系統(tǒng)在發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)變得不穩(wěn)定的觀點(diǎn)并不完全適用于所有場(chǎng)合。以下文章將證明使用EtherCAT所展示出的不同情況。

在工業(yè)通信中，不同通信方式中的錯(cuò)誤情況將帶來不同的影響。一旦發(fā)生錯(cuò)誤，何時(shí)、何地、發(fā)生什么情況以及發(fā)生的原因是關(guān)鍵問題，并必須迅速找到答案（這并不容易）。另一方面，在處理錯(cuò)誤問題時(shí)，人們必須關(guān)注數(shù)據(jù)的一致性。

以太網(wǎng)已經(jīng)盛行于很多應(yīng)用中。采用100 Mbit/s（快速以太網(wǎng)）的物理數(shù)據(jù)傳輸，其物理數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹?qiáng)健性已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域得到證實(shí)。因此，我們需要討論的是物理層之上協(xié)議層的效率及相關(guān)可靠性。

給每個(gè)I/O一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)幀意味著巨大的帶寬開銷和高錯(cuò)誤率

一種評(píng)估效率的方法是針對(duì)協(xié)議開銷的調(diào)查。如果每個(gè)網(wǎng)絡(luò)參與者都使用一個(gè)單獨(dú)的以太網(wǎng)幀將導(dǎo)致巨大的協(xié)議開銷，因?yàn)榧词拱l(fā)送最小幀也有84 byte (如圖1 )，而每個(gè)網(wǎng)絡(luò)參與者（節(jié)點(diǎn)）典型的有效負(fù)載是小于8 byte（比如CAN是1到8之間），這導(dǎo)致了超過90%的帶寬開銷。

圖1：7個(gè)例子中的有6個(gè)因?yàn)橐粋€(gè)隨機(jī)的周期錯(cuò)誤對(duì)獨(dú)立的數(shù)據(jù)幀造成影響。

機(jī)器設(shè)備通常使用線性拓?fù)涞耐ㄐ畔到y(tǒng)。然而快速以太網(wǎng)架構(gòu)要求有源耦合的接口。耦合由所謂的橋接局域網(wǎng)的設(shè)備或交換機(jī)實(shí)現(xiàn)，其中交換機(jī)經(jīng)常被集成到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（如I/O設(shè)備或者伺服驅(qū)動(dòng)器）中。因?yàn)樗袛?shù)據(jù)會(huì)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)被處理一次，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以獲取一個(gè)共用幀上的完整的用戶數(shù)據(jù)信息——就如同EtherCAT的運(yùn)行機(jī)制——幀在系統(tǒng)中傳輸?shù)耐瑫r(shí)被處理，這種處理協(xié)議的方法可以被命名為共享幀解決方案（圖2）。其結(jié)果是即使連接的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量很少的情況下，也會(huì)有小于50%的協(xié)議開銷。如果系統(tǒng)的總有效負(fù)載超過400個(gè)字節(jié)，這會(huì)使共享幀解決方案中數(shù)據(jù)幀開銷小于10%。

圖2：共享數(shù)據(jù)幀機(jī)制下，7個(gè)例子中只有1個(gè)會(huì)因?yàn)橐粋€(gè)隨機(jī)周期錯(cuò)誤對(duì)數(shù)據(jù)幀造成影響。

盡管以太網(wǎng)物理層通常是強(qiáng)健的，但強(qiáng)的電磁干擾信號(hào)還是可以導(dǎo)致通信錯(cuò)誤。相比傳統(tǒng)的獨(dú)立幀傳輸方式對(duì)干擾帶來的影響，共享幀的方式在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)周期內(nèi)錯(cuò)誤概率要小得多。

正常情況下，大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序可以克服單一的錯(cuò)誤而不造成任何損失。但是如果緊挨著有兩個(gè)錯(cuò)誤，則是很嚴(yán)重的情況。因此，每個(gè)周期的通信錯(cuò)誤之間的關(guān)聯(lián)都會(huì)造成嚴(yán)重情況。在本文開頭介紹的比較現(xiàn)實(shí)的例子中，獨(dú)立幀方式比共享幀方式會(huì)造成更多的損壞幀，因?yàn)楣蚕韼皇褂昧?/6的傳輸時(shí)間，因此共享幀受到的影響只是7（？）種例子中的一種。

位錯(cuò)誤的數(shù)量不會(huì)對(duì)處理質(zhì)量產(chǎn)生影響

在運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中，出現(xiàn)單個(gè)通訊錯(cuò)誤時(shí)，需要使用困難的算法來插入目標(biāo)值和實(shí)際值。獨(dú)立數(shù)據(jù)幀的通訊方式會(huì)帶來幾乎不可預(yù)見的結(jié)果，尤其當(dāng)幾個(gè)軸耦合時(shí)。因此這種有更高錯(cuò)誤周期率的級(jí)聯(lián)會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)。此外，該解決方案底至10%的效率甚至增加了錯(cuò)誤周期率，使得實(shí)現(xiàn)可靠的應(yīng)用控制更為困難。

速度和位置的控制問題也關(guān)系到運(yùn)動(dòng)控制本身。位置值控制比僅有小變化的速度值更為重要。早期的方式是在相互作用下錯(cuò)誤可以互補(bǔ)。而且編程的原則“只要沒有變化，保持?jǐn)?shù)值不變”，有助于減少一般的錯(cuò)誤影響，以及避免捆綁錯(cuò)誤。

所提到的情況表明，一個(gè)周期中的錯(cuò)誤數(shù)量和所得到的控制誤差沒有直接的依賴關(guān)系。單獨(dú)的錯(cuò)誤甚至可能比捆綁錯(cuò)誤還要危險(xiǎn)。

獨(dú)立幀的方式不能阻止多種錯(cuò)誤

每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)幀的傳輸方式的另一個(gè)問題是錯(cuò)誤隔離。一般來說以太網(wǎng)可以避免傳播干擾，因?yàn)槊總€(gè)連接點(diǎn)都是由一個(gè)特殊的收發(fā)器控制?，F(xiàn)在的以太網(wǎng)物理層不是總線型的，而是對(duì)等接口的集合，無論如何錯(cuò)誤都可能產(chǎn)生，例如電源干擾可以在同一個(gè)時(shí)刻影響多個(gè)節(jié)點(diǎn)。另一個(gè)有可比性的錯(cuò)誤源是在直接屏蔽的方式中保護(hù)導(dǎo)體的接觸不良。雖然EtherCAT不推薦這樣使用，但尤其對(duì)于支持多協(xié)議的設(shè)備，必須要遵循這個(gè)方法，且不可以使用替代的方法。由于機(jī)柜接地有時(shí)會(huì)比預(yù)期差，對(duì)屏蔽的干擾可能會(huì)出現(xiàn)在電纜連接的不同部分。在這種情況下，診斷是非常困難的，因此，應(yīng)盡可能避免這種干擾的傳播。

如果你使用類似EtherCAT這樣的普通數(shù)據(jù)幀，那么這種干擾傳輸只會(huì)影響同一幀幾次

短的獨(dú)立幀使用IEEE標(biāo)準(zhǔn)定義的典型交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)，這種方式至少要比EtherCAT慢10倍，因?yàn)樗瑫r(shí)將不同的幀發(fā)送給不同的網(wǎng)絡(luò)參與者。這個(gè)過程會(huì)產(chǎn)生很大的時(shí)間延遲，并導(dǎo)致干擾傳輸?shù)那闆r下影響多個(gè)不同的的數(shù)據(jù)幀。因此，不同周期或通信類型的數(shù)據(jù)會(huì)被影響。出于這個(gè)原因，干擾傳播是一個(gè)非常關(guān)鍵的因素，它某種形式上總是意味著多米諾效應(yīng)。

EtherCAT技術(shù)則相反，轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間非常短，以至于即使干擾發(fā)生在數(shù)據(jù)幀頭的位置，也不會(huì)影響旁邊站點(diǎn)上的前一個(gè)幀的末尾數(shù)據(jù)。

當(dāng)幾個(gè)獨(dú)立幀被影響，產(chǎn)生的錯(cuò)誤類型很難定義。一些輸入數(shù)據(jù)是新的，其他是舊的，從而判斷只有單獨(dú)錯(cuò)誤的方法是不正確的，它需要特別復(fù)雜的錯(cuò)誤處理策略。

此外，大多數(shù)交換機(jī)/橋在接收到正確數(shù)據(jù)幀后才會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)（存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)），這會(huì)導(dǎo)致每個(gè)接口會(huì)接受不同的數(shù)據(jù)幀，這樣干擾傳播會(huì)影響大量的數(shù)據(jù)幀。

反饋可以幫助加快錯(cuò)誤處理

出于效率的原因，獨(dú)立幀方式一般不提供及時(shí)的反饋。需要有主站將更新的輸出數(shù)據(jù)請(qǐng)求發(fā)給從站，然后由從站返回直接反饋。這種重復(fù)的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間是對(duì)周期時(shí)間的一個(gè)限制。而且對(duì)于丟失單個(gè)輸出數(shù)據(jù)幀的反應(yīng)也限制在單個(gè)站點(diǎn)上——而不能直接通知控制單元。在這種情況下，主站不能采取任何措施。這種錯(cuò)誤最早會(huì)在一個(gè)周期后獲得，直到錯(cuò)誤超時(shí)觸發(fā)系統(tǒng)，通常需要三個(gè)周期。

圖3：慢速處理多個(gè)數(shù)據(jù)幀的影響

相反地，EtherCAT從站可以直接進(jìn)行反饋?？焖俚霓D(zhuǎn)發(fā)使得輸入數(shù)據(jù)在輸出數(shù)據(jù)傳輸完成后出現(xiàn)在主站當(dāng)中。如果反饋失敗，主站可以立即開啟對(duì)應(yīng)處理，而且得益于超小的轉(zhuǎn)發(fā)變動(dòng)使得精確的超時(shí)成為可能。

原則上，EtherCAT的形式像一個(gè)傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線，可以安排立即重發(fā)。因?yàn)楹笳咴谥髡具M(jìn)行更加復(fù)雜的錯(cuò)誤處理，實(shí)際過程數(shù)據(jù)的可用性上需要更多的帶寬（使用EtherCAT只有15%），或者使用處理器的性能來修復(fù)舊的過程數(shù)據(jù)。EtherCAT更關(guān)注短的周期時(shí)間，這樣會(huì)減少錯(cuò)誤的可能。

更高的效率可以獲得更短的周期時(shí)間和更好的故障排除

最后且同樣重要的是：相比獨(dú)立數(shù)據(jù)幀，EtherCAT可以達(dá)到非常短的周期時(shí)間，這帶來了更高的精度并增加數(shù)據(jù)處理的魯棒性。這也使得產(chǎn)品具有更好的質(zhì)量及更快的錯(cuò)誤反應(yīng)。通過減少的周期時(shí)間來提高提高產(chǎn)品質(zhì)量是非常好的方法，甚至是在出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況下。如果沒有錯(cuò)誤發(fā)生則質(zhì)量還能進(jìn)一步提升。因此，即使在有干擾的環(huán)境中，EtherCAT也可以成功的運(yùn)行。

圖4:EtherCAT直接反饋方式

總結(jié)

總之，EtherCAT是可靠的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，降低了帶寬使用量，從而減少了錯(cuò)誤頻率，快速的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)避免了干擾的傳播。得益于以太網(wǎng)的對(duì)等連接，反射和其它干擾被避免了，使得錯(cuò)誤概率極低，錯(cuò)誤發(fā)生的地方也很容易檢測(cè)，從而通信更可靠。

此外，一個(gè)系統(tǒng)的可靠性會(huì)在很大程度上受較低的協(xié)議復(fù)雜性和降低通訊接口上幀流量的影響。簡(jiǎn)明的設(shè)計(jì)是好的控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是他的耐用性的必要條件。

EtherCAT印證了自動(dòng)化技術(shù)的基本原則：效率和可靠性可以兼得！

Appendix

AUTHOR:

Dr. Karl Weber

Senior Technology Expert

EtherCAT Technology Group

Nuremberg, Germany

PICTURES:

Lead: Karl-Martin Skontorp

All others: EtherCAT Technology Group